Nella microelettronica, Il wire bonding è uno dei processi principali. Per molti anni, i produttori hanno utilizzato questa tecnica per due scopi: creare una connessione elettrica e meccanica senza soluzione di continuità tra minuscole matrici di semiconduttori e il loro packaging esterno.
Esiste una forte concorrenza da parte di alternative come i flip chip e il packaging 3D avanzato. Tuttavia, il wire bonding domina come tecnologia di interconnessione di alto livello.
Ad esempio, è responsabile di oltre il 75% di tutte le connessioni die-to-package a livello globale.
Per comprendere il wire bonding dei circuiti integrati, il wire bonding dei circuiti stampati e il wire bonding dei semiconduttori, è necessario comprendere le basi del processo di wire bonding, i materiali dei fili di collegamento e le tendenze future.
Successivamente, questo articolo fornisce un esame completo della saldatura dei fili, concentrandosi su:
· XNUMX€ tecniche
· XNUMX€ Materiali Necessari
· XNUMX€ Applicazioni
· XNUMX€ Costo
· XNUMX€ Problemi comuni
Cos'è il Wire Bonding?
Il wire bonding è il processo mediante il quale i dispositivi a semiconduttore vengono collegati elettricamente a un package, un substrato e un circuito stampato. Questo processo utilizza fili sottili. Questi fili di collegamento sono generalmente realizzati in oro, alluminio e rame. Il collegamento avviene tramite pressione combinata con calore ed energia ultrasonica.
I principali vantaggi della saldatura tramite fili includono:
La saldatura dei fili è versatile
È compatibile con un'ampia gamma di materiali, tipologie di package e geometrie di dispositivi, rendendolo adatto a praticamente qualsiasi applicazione.
Facilmente scalabile
Supporta la produzione di circuiti integrati tramite wire-bonding ad alto volume, ma è anche adatto a progetti specializzati a basso volume.
Produzione affidabile
Se eseguiti correttamente, i fili incollati resistono ad ambienti difficili, tra cui quelli dei settori automobilistico, aerospaziale e dei dispositivi medici.
Tecnologia conveniente
Rispetto alle soluzioni flip-chip, il wire bonding offre un'opzione di interconnessione più conveniente grazie ai requisiti più semplici e alle ridotte esigenze di apparecchiature.
Sebbene il concetto sembri semplice (solo un filo sottile che collega un chip pad a un package pad), il processo di saldatura dei fili vero e proprio richiede strumenti precisi, un ambiente pulito e un'attenta selezione dei materiali.
Tipi di tecnologie di wire bonding
Esistono tre categorie principali di tecniche di wire bonding, ciascuna con casi d'uso diversi:
Legatura a sfera
Il processo di saldatura a filo più comune è la saldatura a sfere, in particolare nelle applicazioni di saldatura di fili d'oro e di rame. Consiste nella creazione di una sfera d'aria libera all'estremità del filo, che viene poi premuta sulla piazzola di saldatura mediante l'applicazione di calore, energia ultrasonica e pressione nel processo termosonico.
L'uso del bonding con filo d'oro e dei legami a sfera non è una novità, poiché l'oro è un ottimo conduttore con elevata resistenza alla corrosione. Il filo di rame sta guadagnando popolarità come alternativa più economica e performante, soprattutto nei dispositivi di potenza. I legami a sfera sono ad alta velocità e non direzionali, il che li rende adatti per il bonding con filo di circuiti integrati elettronici di consumo ad alta velocità.
Incollaggio a cuneo
La saldatura a cuneo utilizza uno strumento a forma di cuneo per premere il filo di saldatura direttamente contro la piazzola. Questa tecnica è ampiamente utilizzata con fili di alluminio in applicazioni come la saldatura di fili semiconduttori per dispositivi di potenza automobilistici e sistemi aerospaziali.
Offre capacità di passo fine, raggiungendo dimensioni fino a 15-25 μm. È comune nella saldatura di fili su PCB per l'assemblaggio diretto chip-on-board. I wedge bond in alluminio sono convenienti, ma sono limitati dai requisiti di spaziatura delle piazzole.
Variazioni avanzate
La saldatura a termocompressione utilizza solo calore e pressione ed è più lenta, ma garantisce un'elevata affidabilità. Al contrario, la saldatura a nastro utilizza nastri piatti anziché fili tondi per applicazioni ad alta corrente o RF. La saldatura inversa, invece, posiziona un perno sul pad prima di saldarvi il filo. Infine, la saldatura laser assistita e quella fotonica rappresentano metodi avanzati per MEMS, LED e dispositivi fotonici.
Materiali per la saldatura dei fili
La scelta del filo di collegamento dipende dai requisiti di conduttività, resistenza meccanica, costo e affidabilità.
I materiali più comuni per i fili di collegamento sono:
Filo di legame in oro
Questo è il materiale più tradizionale per la saldatura dell'oro e la saldatura dei fili dei circuiti integrati, offrendo un'eccellente resistenza alla corrosione e conduttività. Rimane ampiamente utilizzato nella saldatura dei fili dei semiconduttori per applicazioni critiche.
Filo di alluminio
Utilizzato principalmente nel wedge bonding, è economico e leggero, il che lo rende ideale per i moduli di alimentazione e il wire bonding dei PCB.
Filo di rame per legatura
Si sta affermando come alternativa più economica all'oro, offrendo una conduttività elettrica e termica superiore. Tuttavia, richiede rivestimenti protettivi, come il filo di rame rivestito di Pd, per prevenirne l'ossidazione.
Filo di legame d'argento
Sebbene meno comune, offre la massima conduttività. Il filo legato all'argento è adatto per applicazioni di nicchia che richiedono fili legati a bassa resistenza.
Fili in lega e rivestiti
Il filo di rame rivestito in palladio combina la conduttività del rame con la resistenza all'ossidazione del palladio. I fili di legatura bimetallici e legati migliorano la resistenza e la stabilità termica. Queste variazioni sono essenziali per la saldatura di fili semiconduttori ad alta temperatura e alta frequenza.
Diametro e geometria del filo
Fili sottili come 17-25 μm vengono utilizzati per il bonding dei circuiti integrati a passo fine, mentre fili più spessi da 100-300 μm, con nastri, vengono utilizzati per applicazioni con correnti ancora più elevate. L'altezza del loop, l'angolo di inclinazione e la geometria del filo di bonding influiscono significativamente sulla qualità.
Attrezzature e utensili per la saldatura dei fili
Per eseguire processi di saldatura dei fili precisi, è essenziale disporre di attrezzature specializzate:
· XNUMX€ Saldatrici a filo: Macchine completamente automatiche, semiautomatiche e manuali
· XNUMX€ Capillari: Adatto per la saldatura di fili d'oro
· XNUMX€ Utensili a cuneo: Efficace per la saldatura di fili di alluminio e rame
Le macchine moderne garantiscono un controllo preciso della forza ultrasonica, della temperatura e del tempo di saldatura, fattore decisivo per la saldatura di fili semiconduttori miniaturizzati.
Fondamenti del processo di saldatura dei fili
Il processo di wire bonding consiste in diverse fasi sequenziali progettate per creare interconnessioni sicure, conduttive e meccanicamente stabili. Queste fasi sono comuni alla maggior parte delle applicazioni di wire bonding per semiconduttori:
Posizionamento dello stampo
Innanzitutto, il die semiconduttore viene fissato al substrato del package o al PCB mediante adesivi, saldature o resina epossidica.
Selezione del filo
La scelta del filo di collegamento, che sia in oro, in rame o in alluminio, dipende dal costo e dai requisiti elettrici e termici.
Configurazione dello strumento
Capillari specializzati e utensili a cuneo guidano il filo durante il ciclo di saldatura.
Formazione del primo legame
Nella saldatura a oro, la punta del filo viene modellata in una sfera di aria libera utilizzando la fiamma elettrica (EFO), quindi saldata al tampone tramite vibrazioni ultrasoniche e calore. Nella saldatura a cuneo, il filo viene spinto direttamente per formare una saldatura a cuneo.
Formazione di anelli
Il filo viene esteso fino al secondo punto di connessione, formando un anello ad arco. La geometria dell'anello di filo incollato influenza direttamente la qualità delle prestazioni elettriche.
Formazione del secondo legame
La seconda estremità del filo di collegamento viene saldata al substrato di destinazione e al pad del pacchetto.
Ispezione e test
Ciò comporta tre test:
· XNUMX€ Test di trazione
· XNUMX€ Prove di taglio
· XNUMX€ Ispezioni visive
Questi tre test garantiscono che il processo di saldatura dei fili rispetti gli standard del settore, come MIL-STD-883.
La precisione di ogni passaggio determina la resa, in particolare per la saldatura di fili IC ad alta densità e per la saldatura di fili PCB, in cui le dimensioni dei pad sono ridotte a 40 micrometri con passi inferiori a 70 μm.
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Applicazioni del Wire Bonding nell'elettronica
Le applicazioni della saldatura tramite fili sono molteplici e spaziano in diversi settori:
La saldatura dei fili nei circuiti integrati è importante nell'elettronica di consumo, inclusi smartphone, laptop e dispositivi indossabili. La saldatura dei fili di rame è comunemente utilizzata anche nell'elettronica automobilistica, come moduli di potenza, sensori ed ECU.
Inoltre, i fili di saldatura sono necessari in applicazioni aerospaziali e di difesa, come radar, satelliti ed elettronica militare, dove sono di alta qualità. Anche dispositivi medici come pacemaker, apparecchi acustici e impianti richiedono la precisione della saldatura dei fili semiconduttori.
Inoltre, l'optoelettronica e i LED sfruttano la tecnica del wire bonding dei PCB, necessaria nelle matrici LED chip-on-board e nei sensori di immagini CMOS.
Infine, l'elettronica di potenza che utilizza dispositivi SiC e GaN dipende fortemente anche dall'uso di fili di rame spesso per consentire una gestione efficiente dell'alimentazione.
Sfide di affidabilità nel filo di collegamento e nel collegamento del filo
Nonostante i progressi in questo settore, la qualità dei fili saldati rimane una sfida. Si tratta di difetti di saldatura, caratterizzati da distacco del filo, cricche e rotture durante i cicli termici.
Inoltre, i problemi del materiale sono causati da composti intermetallici Au-Al (IMC), ossidazione del rame e ossidazione dell'argento. Inoltre, le sollecitazioni geometriche sono evidenti quando lo stress di tallone e la propagazione delle cricche sono esacerbati da una progettazione impropria delle spire del filo di collegamento.
Considerazioni sui costi nella saldatura dei fili
I criteri determinanti utilizzati per selezionare i materiali e i meccanismi dei fili di collegamento sono il costo:
Anche la saldatura con filo d'oro è affidabile e costosa. La saldatura con filo di rame offre riduzioni significative nella produzione in serie di saldature per circuiti integrati. Il filo di alluminio è una soluzione economica per la saldatura di fili per elettronica di potenza e PCB.
Gli investimenti in macchinari variano: le saldatrici semiautomatiche costano decine di migliaia di dollari, mentre quelle completamente automatizzate costano centinaia di migliaia di dollari.
Conclusione
La saldatura a filo è una delle tecnologie indispensabili dal 1960. Il processo di saldatura a filo è molto importante nella saldatura dell'oro, nella saldatura dei fili di rame e nella saldatura dei fili dei PCB.
Nonostante l'avvento dei flip-chip e delle interconnessioni moderne, i fili di bonding continueranno a essere al centro del wire bonding dei semiconduttori. Il wire bonding sarà in grado di soddisfare i requisiti della prossima generazione di elettronica grazie agli attuali progressi nei materiali, nell'automazione e nella progettazione.
